光伏系统在船舶上的应用与分析

詹 波

（舟山中远海运重工有限公司，浙江舟山 316000）

0 引言

船舶作为海上运输的载体，是污染排放的主要来源。船舶运输时产生的污染包括二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物及固体颗粒物等，这些污染物主要来源于为船舶提供动力的船用燃料。为减少船舶有害气体的排放，降低对生态环境的影响，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）通过了一系列强制性规定，例如近年生效的船舶限硫令，以及正在推进中的船舶脱碳要求等。

为实现船舶节能减排，目前各航运公司采用不同的方案以作应对，如马士基集团尝试采用氨、醇类作为船舶燃料；法国达飞公司采用液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为未来船舶燃料；日本的一些船舶公司则更多关注利用氢能源作为船舶动力源。在这众多研究和应用方案中，太阳能作为一种可利用、可再生的清洁能源也逐步应用于船舶。目前，太阳能光伏系统主要应用于游艇、旅游观光船、小型渡轮等小型船舶[1]，而在较大型的船舶上尚未得到广泛应用。

本文详细介绍了太阳能光伏发电系统的基本构成、估算选型、应用实例、存在弊端等，探讨了太阳能光伏发电技术在船舶上的研究方向及应用前景。

1 船舶光伏系统介绍

1.1 光伏系统基本构成

光伏系统主要部件包括太阳能电池板、电源逆变器、控制器、储能蓄电池以及其他辅助监控设备。光伏系统的基本工作原理：太阳能电池板被光照射时，太阳能电池板内电荷分布状态发生变化，产生光伏效应。利用电池板产生电能，并借助电源控制器对电源进行管理，充分利用太阳能，让系统处于最优状态。最后通过电源逆变器直接或间接为船舶上的各负载进行供电，剩余的电能则通过系统中的蓄电池储存以备不时之需。

1.2 船舶上光伏系统分类

根据应用形式的不同，太阳能光伏发电系统通常可分为独立型光伏发电系统和并网型光伏发电系统[2]。

对于用电总负载较小的小型船舶，可选用独立型光伏发电系统，将太阳能作为船舶的主要能源。应用前需要对全船的用电负载进行统计，测算船舶实际用电量，而后计算并选定船舶太阳能电池板面积及其他配套设备参数等。

对于用电量较大的大型船舶，仅通过太阳能光伏发电提供的电源难以负担全船用电负载。因此，可选用并网型光伏发电系统，将太阳能转化的电能仅作为船舶的辅助电源使用。采用此系统的船舶电网可能因光伏系统的不稳定性而受影响，因此并网型逆变器需要选用更选进的控制策略。

独立型发电系统和并网型发电系统结构示意图分别见图1和图2。

图1 独立型光伏发电系统结构

图2 并网型光伏发电系统结构

2 船舶上光伏系统选型估算

船舶在海上航行时一直处于运动状态，在船舶上安装的太阳能电池板受阳光照射的角度一直处于变化中，海上天气也变化较多。因此，对船舶上光伏系统的各主要部件选用时需要结合船舶航行信息具体分析，通过数据查询和公式估算的方式获得需要的数据[3]。

固定式光伏系统的发电量可参考如下步骤计算

1）计算太阳能电池板组的额定功率P

式中： S为太阳能电池板的总面积；T为每平方米太阳能电池板产生的功率；Ƞ为太阳能电池板的转换效率。

2）计算固定太阳能电池板组的发电量E

式中：H为太阳能电池板受光面的太阳辐射量；G为标准状态下的太阳辐射量。

3）确定光伏系统产生的有效额定电量E1

式中： Ƞ1为光伏系统至负载的效率。

在选择蓄电池的种类时，可选择锂离子蓄电池或免维护封闭式铅蓄电池。锂离子蓄电池具有重量轻、体积小、耐充放性能好、电池寿命相对更长等特点，而免维护封闭式铅蓄电池则具有价格低廉，资源丰富、维护简单等特点[4]。选择时除关注不同种类蓄电池的特点外，还要结合项目船的布置空间，和成本等进行全面考虑。

确定系统中蓄电池容量时，需要满足供电负载最大功率的要求，可按式（4）进行估算：

式中：B为蓄电池容量；A为安全系数，取1.1～1.4；QL为负载耗电量；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系统；C为电池放电深度。

在船舶中运用太阳能光伏系统需要对太阳能电池板进行科学布置，将其融入船舶各合适的露天区域中确保太阳能电池板能够受到阳光直射[5]。受太阳能电池板光电转换效率的限制，想要从电池板获得较多的电能输出，需要尽可能大的面积配置太阳能电池板。因此，需要合理利用好船舶的各处空间作为布置和安装太阳能电池板的处所。布置时还需要考虑船舶航行和装卸货物、船舶操作空间及逃生通道的干涉情况，光伏系统维护方便性等因素。从可供安装的船型来看，油船、化学品船等船型的甲板多属于危险区域，其安装光伏系统相对困难。而大型滚装船、散货船、海峡渡轮等船型的甲板可利用面积更大，更加适合安装光伏系统。

3 工程实例

国内外已有多个船舶光伏系统完工案例，本文对某大型滚装船的光伏系统进行介绍。在确定系统方案前，需要对目标船进行实船现场勘测，初步测量出船舶顶层甲板可供太阳能电池板安装的面积范围。经初步勘查，本船可供安装布置的面积可由 6块分散区域组成，可用总面积约1 300 m2，初步勘查可布置的区域示意图见图3。

图3 初步勘查可布置的区域示意图

在确定最终太阳能电池板布置方案时，对布置情况进行优化，优化时主要考虑如下因素：

1）不影响舰桥观察海况，不影响船舶航行安全。

2） 安装区域集中，不影响船舶主甲板的整体美感。

3）不影响甲板设备的正常工作。

4）便于船员日常巡回检查电池组件。

5）不影响两舷安全通道，设置遮阳棚式的电池组件安装构架。

最终，测量出实际可用于布置太阳能电池板面积，其净安装面积约875 m2。为减缓电池板表面积灰，同时也为了利于雨水吹刷，将太阳能电池板设置5°～8°倾角进行铺设安装。

对太阳能电池板进行选择，选用国内某公司的单晶硅太阳能电池板，其标准测试条件下的最大功率值为280 W，尺寸为1 650 mm×990 mm×40 mm，计算得出光伏系统设计容量可达150 kW。光伏系统与原船的电网按并网型光伏发电系统连接，电源接入原船配电板主汇流排，其系统单线图见图4。

图4 光伏系统并网连接电力系统单线图

光伏系统中蓄电池储能设备需要较大的容量，根据船舶受到的有效光照时间，负载消耗电能等数据进行估算，同时考虑一定的余量作为冗余，最终为实船配备的储能蓄电池容量为750 kW，各数据见表1。

表1 储能蓄电池容量计算相关参数

整套系统设备装船并经过系统调试后，光伏系统发出的电能可与船舶主电网并网，基本达到最初设计的目标要求，在一定程度上降低了船舶运行的能耗，提升了船舶供能系统的环保性。但同时需要注意，在本项目中光伏系统输出的电量在原船需求总电量中的占比还很小，产生的电能仅作为辅助电能使用。

要实现太阳能发电作为船舶主电源的目标还有许多技术难题需要解决，如太阳能电池板的光电转换效率还需要较大提高，以使电池板在有限的船舶甲板空间上产生足够的电能；蓄能设备的容量需要足够大并能稳定可靠地工作等。

4 结论

从光伏系统应用现状来看，太阳能光伏发电技术在船舶行业的应用还不够广泛，仅应用于一些小型船舶及少数大型船舶。虽然单纯依靠太阳能光伏系统发出的电能作为动力仍存在一些不足和困难，但随着技术的不断发展，太阳能光伏系统将在船舶上得到更好的应用。希望本文可引起相关学者的关注，为更好利用船舶太阳能光伏发电技术指明方向。